大馬力拖拉機驅動橋有限元分析及試驗研究

董玉德， 姚亮亮， 劉 振， 曹文鋼， 鄧 磊， 王凱亮， 劉月在

（1．合肥工業大學機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009；2．一拖開創裝備科技有限公司，河南 洛陽 471004）

隨著國民經濟的健康快速發展，農業機械化水平越來越高，拖拉機作為農機產品中重要的一員，需求量在逐步增大。特別是大馬力拖拉機市場，一直保持著穩健快速發展的好勢頭。但目前國內180馬力以上的大馬力拖拉機市場主要被紐荷蘭、約翰迪爾等國外公司所壟斷[1]，主要原因就在于國內企業還沒有掌握驅動橋、發動機等核心部件的關鍵技術。作為拖拉機核心部件之一的驅動橋，是車輛的傳動和承載部件，受力較大且使用頻繁，其設計水平的高低對整車的性能有著極其重要的影響。早期國內通過引進消化吸收國外技術，在中小馬力的驅動橋技術掌握方面已經比較成熟，然而對大馬力驅動橋技術還處于摸索階段。

目前國內針對汽車驅動橋所做的分析工作比較多，如朱崢濤等所著江鈴汽車驅動橋橋殼有限元分析[2]，利用 SolidWorks進行建模，然后用ANSYS對3種不同厚度驅動橋殼進行有限元分析，最后驗證均符合要求；陳立杰等所著桑塔納汽車后橋強度有限元分析[3]，也是利用 ANSYS進行有限元分析，然后對應力較大部位進行改進，最終得到滿意的結果。拖拉機的作業工況有其自身特點，田間作業較多，工況比較惡劣、持續作業時間長，而目前對拖拉機驅動橋所做的有限元分析工作還比較少，特別對于目前技術不是很成熟的大馬力拖拉機驅動橋，對其進行有限元分析來驗證設計的正確性就顯得尤為重要[4-6]。

通過對第一拖拉機制造廠開創裝備科技有限公司在吸收消化意大利FIAT技術，并結合以往中大馬力拖拉機驅動橋設計經驗的基礎上，所設計開發的180馬力拖拉機前驅動橋進行三維建模、有限元前處理、有限元求解、試驗驗證等一系列過程，驗證此驅動橋設計安全合理。但對于橋殼上應力較大部位，在設計中應當予以改進，以提高其剛度和疲勞壽命。

1 大馬力拖拉機驅動橋

大馬力拖拉機前驅動橋總成由橋殼、主減速器、差速器、輪邊減速器、轉向油缸、轉向橫拉桿、連結件、左右半軸及前后支承座組成，如圖1所示。其輪距為1890mm，前后支承座中心距為 436mm，最大扭矩 720N·m，最大轉速480r/min，附著重量為 kg，承受的滿載載荷為4000kg。

圖1 驅動橋總成爆炸圖

相對于中小馬力拖拉機驅動橋而言，大馬力橋具有以下特點：

1）隨著整車質量的增加，驅動橋承載能力也隨之增大，對橋殼及轉向節的材料選擇和熱處理工藝要求更高；同時由于橋殼上載荷分布的變化，其結構形式也要發生相應的改變。

2）由于匹配的發動機馬力增大，驅動橋所能承受的輸出扭矩也要增大，對半軸的熱處理工藝要求也更高。

3）對于液壓系統、潤滑系統及降噪處理也提出了更高的要求。

驅動橋在工作過程中易產生以下故障：

（1）橋殼組件（包括橋殼、連結件及支承座，以下簡稱橋殼）承載能力不足，易斷裂。

（2）轉向節和橋殼接觸的面極容易被壓潰。

（3）半軸花鍵齒區域易發生斷裂。因此，我們選擇以上3個部件進行有限元分析，以驗證其安全性。

2 理論分析

Hypermesh是美國澳汰爾(Altair)公司所開發的優秀有限元分析軟件，考慮到其強大的前處理能力，故采用其為前處理軟件[7]；而目前應用最廣的有限元分析軟件ANSYS作為求解器及后處理軟件。

2.1 橋殼分析

將從Pro/E中輸出的igs格式的橋殼模型導入Hypermesh中進行有限元分析的前處理工作，對于模型中存在的自由邊、共享邊、壓縮邊、T形連接邊以及對計算結果無重大影響的一些工藝孔、倒圓等進行清理。

網格劃分是有限元前處理的關鍵，在單元的劃分中要盡量避免畸形，對結構受力較大的部位網格要劃分細一些，為了避免過多的單元數使運算出現困難，對一些相對不重要的部位網格可以相對疏一些[8-9]。

在分析中實體單元賦予的單元類型為SOLID92。材料有兩種：橋殼及連接件為QT450-10，前后擺座為QT600-3。

驅動橋殼共有4個零件，三處連結，如圖2所示。對于襯套連接，采用的模擬方式是將相連接的兩個圓柱面上所有節點的所有自由度進行耦合，也就是襯套連接的兩圓柱面間不會有任何的相對運動。對于螺栓連接采用的模擬方式是用beam梁單元和rigid單元來模擬，即將待連接兩物體的螺栓孔各用 rigid單元將圓心與螺孔四周的節點都連起來（圖 3(a)），然后再將兩圓心用beam梁單元連起來（圖3(b)）。

將橋殼兩端與轉向節主銷相連接的螺孔內表面上所有節點完全約束；在前后支承座上施加3倍垂直滿載載荷(12000kg)。前擺座和后擺座的載荷分配比例為0.57和0.43，即施加的載荷分別是6858kg和5142kg。完成以上前處理工作后，選擇ANSYS模板進行文件輸出，保存的文件即為ANSYS的命令流。

圖2 連接關系圖

圖3 螺栓連接的模擬

將前處理輸出的ANSYS模板格式的文件導入ANSYS進行求解，得到驅動橋的von Mises應力分布圖和綜合位移圖，如圖4和圖5所示。

圖4 橋殼von Mises應力分布圖

從圖4可以看到，橋殼的von Mises應力較大部位主要在兩端加強筋的交界處、橋殼中部圓弧過渡處以及與轉向主銷連接部位的下底板上，應力值約為60～100Mpa；最大應力值為182.056MPa，出現在左端加強筋的交界處，均小于 QT450-10和QT600-3的屈服極限（分別是310 MPa和370 Mpa），安全系數大于1.7，符合強度要求。

圖5 橋殼綜合位移圖

橋殼最大綜合位移為 0.60311mm,而橋殼輪距為1.89m，故遠小于JB/T 8582.1-2001《農用運輸車 驅動橋》要求的每米輪距不超過1.5mm的變形量。

2.2 轉向節分析

轉向節在拖拉機實際工作中不僅要承受轉向油缸的拉力，還要和前輪及橋殼共同承受拖拉機前部的壓力，因此極易產生斷裂或者接觸面壓潰[10]。

轉向節模型的單元類型為SOLID92，材料為QT450-10。將轉向節與主銷相連接的孔的內表面除轉動自由度之外的其余5個自由度完全約束，并將與輪轂相連接的孔內表面完全約束，在與轉向油缸相連接的孔內加載，大小為4000kg。

圖6 轉向節von Mises應力分布圖

轉向節的有限元分析結果如圖6所示，應力較大位置主要分布在轉向節下部與橋殼接觸的面上、與主銷相連的孔內以及羊角狀立板上，應力值約為80～140Mpa。最大應力值出現在下部圓弧過渡處，大小為187.325Mpa，小于材料屈服極限(310Mpa)，安全系數大于1.65，符合強度要求。

2.3 半軸分析

半軸在結構上主要由法蘭盤、軸桿和花鍵3部分組成。拖拉機行駛時，半軸要承受彎矩和扭矩，易產生應力集中而出現斷軸現象[10-12]。花鍵的根部，尾端及嚙合端面以及法蘭盤與軸桿連接處都是應力集中的敏感區域。

半軸模型的單元類型為 SOLID92，材料為42CrMo。將半軸法蘭盤處與萬向節連接的兩孔內表面完全約束，在花鍵齒上加載。

半軸的有限元分析結果如圖7所示，其應力較大的部位在花鍵根部及嚙合端面，最大應力值為618.65Mpa，遠小于材料屈服極限(930Mpa)，安全系數大于1.5，符合強度要求。

圖7 半軸von Mises應力分布圖

3 臺架試驗

理論分析結果，需要進行試驗以驗證其正確性。我們選取橋殼的臺架試驗來進行驗證。

3.1 剛度試驗

根據理論分析結果，選擇 14個應力較大的點粘貼0°，45°，90°應變花，具體貼片位置如圖8 所示。試驗時，為了方便橋殼的固定，在橋殼組件加上了轉向油缸，橫拉桿及輪轂，并通過連接件將橋殼固定在試驗臺上，如圖9所示。

參照 JB/T 8582.1-2001《農用運輸車 驅動橋》、JB/T 5928-1991《工程機械驅動橋 臺架試驗方法》對橋殼進行垂直彎曲剛度試驗[13-14]。在兩支承座中心處從零加載至 3倍滿載載荷12000kg，預加載 2～3次，卸載后先將應變片調整至零位再進行測量。對3次試驗所測得的3倍滿載時的應變取平均值，經過數據處理后的試驗值和理論分析值對比如表1所示。

圖8 貼片位置示意圖

圖9 固定在試驗臺上的橋殼

表1 試驗值和理論分析值對比

從表1可以看出，最大誤差為22.7%，出現在4號測點；最小誤差為7.3%，出現在6*號測點。產生誤差的主要原因是：試驗時橋殼組件增加了輪轂，導致試驗橋殼的總長度有所增加，使得試驗測得的應力值比理論分析偏大一些，特別對于距離橋殼中心較遠的這6個測點，影響相對更大一些；有限元模型是按照理想化的設計尺寸建立起來的，沒有考慮材料的制造缺陷都因素；在模型的簡化過程中，省略了部分細小的結構，如螺栓孔、油孔、臺階面等，而這些地方往往是產生應力集中的地方。

但從試驗結果的應力分布趨勢來看，和理論分析還是一致的，另外試驗值和理論值的誤差也不大，因此驗證了有限元理論分析結果可信度較高。

3.2 疲勞試驗

剛度試驗完成后，在橋殼上施加等幅正弦波脈動循環載荷。載荷上限為4F，下限為0.5F（F為不加配重時拖拉機整機質量，大小為3410Kg）。試驗頻率為 4Hz。循環周期為 3 s，加載 1.5 s，卸載 1.5s。加載直至 88萬次時橋殼斷裂，大于80萬次，符合JB/T 98281-1999《輪式拖拉機前軸技術條件》的要求。

橋殼的實際斷裂位置如圖10和圖11所示，從圖中可以看出，橋殼的實際斷裂位置出現在橋殼中部圓弧過渡處，此處即為理論分析的應力較大處，和理論分析十分吻合。另外將試驗后的橋殼拆下進行分析發現，斷裂位置存在一定的制造缺陷，厚度不夠均勻（橋殼設計厚度12mm，實際厚度為10mm左右，最小厚度僅為8mm），這也是發生斷裂的一個重要原因。

圖10 橋殼斷裂位置1

圖11 橋殼實際斷裂位置2

4 結 論

1）利用Hypermesh軟件對大馬力拖拉機驅動橋模型進行有限元分析的前處理非常有效，其網格劃分精度高，對連接的模擬也很成功，經ANSYS軟件求解器得出的分析結果和剛度試驗測得的結果吻合度較高，證明其采用的分析方法是正確的。

2）通過對大馬力拖拉機驅動橋殼、轉向節、半軸模型的有限元分析和橋殼試驗研究，證明此驅動橋設計安全、合理，符合剛度和疲勞要求。但對于應力較大的部位，如橋殼中部圓弧過渡處、左右兩端加強筋交界處、轉向節下部和橋殼的接觸面以及半軸花鍵區域等仍需通過材料強化處理或結構優化來降低其應力值，以提高其剛度和疲勞壽命。

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